p>ферменты подкласса 6.4 катализируют в основном присоединение С02 к углеродному скелету. К их числу, в частности, относятся пируваткарбоксилаза, при участии которой происходит превращение пирувата в оксалоацетат:

С02 + СНзСОСОО" + РРР - Ado 5=i 00ССН2С0С00- + РР - Ado + HPO^" (IV. 44)

ферменты, катализирующие реакции карбоксилирования, содержат в качестве кофактора биотип (80), который связан своей карбоксильной группой с ?-ами-вогруппой остатка лизина апофермента:

О

X

HrTTJH

s (снд-сосг

80

Биотин является промежуточным переносчиком С02, присоединяя его по имидно-му атому азота:

О

?? NH соа; PPP-Ado_

S (CH2l^-CONH(CH2)-apoE

О

-ОГК

"NH

"s' lcH2)4-CONH(CH2)-apoE + PP-Ado + HPO4"

Примером фермента подкласса 6.5. может служить РНК-лигаза, °бразующаяся в клетках Е. coli, инфицированных бактериофагом Т4, ДНК которого еоДержит генетическую программу для синтеза этого фермента. Этот фермент Катализирует образование фосфодиэфирнон связи между рнбоолигонуклеотидом-Донором, имеющим иа 5'-конце остаток фосфорной кислоты, и рибоолигонук-леотидом-акцептором, имеющим иа 3 '-конце свободную 3 '-гпдроксигруппу. В

сокращенной символике, обозначая произвольный остаток нуклеозида как можно записать общее уравнение реакции, катализируемой РНК-лигазой, в ви

???.,.??,,,??? + р\ш1... pXn + I'PP - Ado ^

pXi...pXmpXIllM... рХ„ + ? -Ado + PPt (IV.4S

Фермент довольно широко применяется для синтеза олигорибопуклеотидов.

Все лигазы катализируют реакции, идущие с участием трех субстратов! дающие три продукта. Во всех изученных случаях процесс идет через две ил! три стадии, причем первые не требуют участия всех трех субстратов- и поэтому могут изучаться и осуществляться в упрощенной системе. Во всех случаях синтез продукта и гидролиз АТФ проходят сопряженно через некоторый общий промежуточный продукт.

Так, аминоацилирование тРНК начинается с реакции образования смешанного ангидрида аминокислоты и адениловой кислоты — аминоациладеиилата:

I

nh7chr;c00~ +

"О—?—О—?—О—?—о

-о -о -о

ГУ

он он

Ade

О

NHtcHRiCO-0-?- Ade

он он

+ РРд

Последний образуется в виде очень прочного комплекса с ферментом и в расти ре не накапливается, оставаясь в стехиометрпческом количестве по отношению к ферменту. Его образование может быть легко зарегистрировано, если добавить в систему [32Р] пирофосфат. В результате обратимого характера процесса в системе начнется накопление меченого [32Р] АТФ, т. е. обмен 32Р между АТФ и пирофос-фатом, причем этот обмен наблюдается только в присутствии соответствующей ферменту аминокислоты.

Если в системе находится специфичная к ферменту, а тем самым к аминокислоте, транспортная РНК, происходит вторая стадия — перенос аминоацплыюго остатка с аминоациладеиилата па тРНК:

nh3 CHRiCO-0-?-? I

-О

он он

Ade

+ tfW-OH

—tRNA^-bCOCHRiNHt + "0-P—От/0

?7

ОН он

Ade

рНК-лшаза катализирует трехстадийный процесс. На первой, стадии АТФ реагирует с ферментом, фосфорилируя гидроксигруппу остатка серина в активном центре:

Е-СН20Н + PPP-Ado ?=± E-CH20-P-Ado + PPt

На этой стадии не участвуют ни донор, ни акцептор. На второй стадии происходит взаимодействие аденилового производного фермента с донором с образованием смешанного ангидрида донора и АМФ:

E-?H20-P-Ado + рХ,„+1...РХ„->

-»E-CH20H +рХт+1...рХ„

81

Наконец, на третьей стадии происходит взаимодействие промежуточного пирофос-фата с акцептором:

pXm»i...pX„

??^,.??,?-?? + I -» рХ,...рХярХжМ...рХ„ + P-Ado

LpA

Как и в случае аминоацил-тРНК-синтетаз, в отсутствие остальных субстратов фермент осуществляет только один цикл каталитического превращения в адени-лированный фермент. Лишь после добавления донора процесс входит в каталитический режим — начинается каталитическое накопление производного (81).

4.7. КОФАКТОРЫ, КОФЕРМЕНТЫ И ВИТАМИНЫ

В предшествующих параграфах этой главы фигурировало значительное число сложных органических соединений — коферментов и кофакторов ферментов. Биосинтез каждого из них из простых исходных веществ проходит через значительное число стадий и требует наличия соответствующей системы специальных ферментов.

Растения и большая часть микроорганизмов, получающих из окружающей сРеды ограниченный набор исходных соединений, должны располагать этими системами. Для животных, в особенности высших, которые получают большой набор веществ, необходимых в качестве строительных элементов и энергетических курсов, в виде растительной или животной пищи, наличие многих из систем биосинтеза кофакторов и коферментов является ненужным излишеством. Либо сами кофакторы и коферменты, либо их близкие предшественники могут быть получены вместе с продуктами питания. Это означает, что вместе с основными компонентами — белками, жирами, углеродами — в продуктах питания животного Должны присутствовать в очень небольших количествах, измеряемых миллиграммами или даже долями миллиграммов, все те коферменты и кофакторы, пути синтеза которых у данного вида животных отсутствуют, или вещества, легко их °бразующие. Речь идет именно о крайне малых количествах, поскольку, поступив в организм, эти соединения работают циклически и пополнение их запаса нужно

Вещества, являющиеся обязательными компонентами пищи высших животн и человека, но необходимые в очень малых количествах, называют витаминами. Следует подчеркнуть, что витамин — это не химическое и не биохимическое понятие, оно имеет чисто физиологический смысл.

Необходимость во многих витаминах обусловлена их участием в формировании циклически работающих сложных органических молекул, в первую очередь кофакторов и коферментов. Ниже приведены краткие сведения о витаминах, необходимых для обеспечения работы основных групп ферментов, рассмотренных ранее.

Важнейшими коферментами, участвующими в большом числе окислительно-восстановительных реакций, являются .никотинамидные кофермеиты. Они могут образовываться исходя из триптофана (см.§ 9.5), однако сам триптофан является редкой аминокислотой и при его недостатке необходимо поступление в организм никотиновой кислоты в качестве витамина (витамин FP или В5). Суточная потребность в ней составляет 10 —20 мг. Первая стадия ее утилизации -. взаимодействие с 5-фосфорибозил-1-пирофосфатом — предшественником всех нуклеотидов:

82

Процесс катализируется никотииат фосфорибозилтрансфераэой с образованием 5-фосфорибозил-1-никотнната (82). Затем следует реакция с АТФ, катализируемая никотинатлюнопуклеотидадепилил траисферазой

ША7)

ОН ОН 83

и приводящая к образованию соединения (83), называемого дезамидо-НАД-Третья стадия, в которой в качестве донора М12-группы может использоваться либо ??*, либо ттамцдная группа глутамипа, приводит к пикотпнамндаденнпдн-

нуклеотиду. Ферменты, катализирующие это превращение, называют НАД-сиите-тазами:

83 + РРР - Ado + N11*-> NAD* + 1> - ????(???) + РР, (IV.48)

83 4 РРР - Ado + Glu-> NAD* + ? - А(1о(АМФ) + Pl\+-Glu (IV.49)

Протопорфирин — органический компонент важного кофактора оксидоредук-таз, гема — необходим животным в значительных количествах, в первую очередь для получения гемоглобина, поэтому у всех животных, включая человека, функционирует система биосинтеза протопорфирина из недефицитных предшественников (см. рис. 111, § 9.5).

флавиновые нуклеотиды — кофакторы"*целого ряда оксидоредуктаз — могут легко образоваться из рибофлавина (84):

ОН ОН ОН

сн,-с-с-с-сн,он

Фосфорилирование 5-гидроксигруппы с помощью фермента рибофлавин кинаэы приводит к флавинмононуклеотиду, реакция последнего с АТФ, катализируемая ферментом ФМН-аденилилтрапсферазой и совершенно аналогичная реакции (IV.47), приводит к флавинадениндинуклеотиду. Рибофлавин должен содержаться в продуктах питания и известен как витамин Вг. Суточная потребность человека в рибофлавине 1 — 3 мг.

Кофактор окислительного декарбоксилирования ?-кетокислот тиаминпиро-фосфат легко образуется у животных и человека из тиамина (85)

NH2 СН3

,сн2 I „>сн2сн2он

Н3С ^N'

: 85

который является витамином (витамин ??) и для человека необходим в количестве 1 — 3 мг в сутки.

Тиамин превращается в тиаминпиросфосфат с помощью фермента тиаминпи-рофосфат кинаэы, катализирующей перенос пирофосфатного фрагмента АТФ на ОН-группу тиамина.

Для завершающей стадии окислительного декарбоксилирования а-кетокислот необходима липоевая кислота, которую иногда называют витамином N.

Синтез кофермента А в сравнительно небольшое число стадий может осуществляться у животных и человека исходя из пантотеновой кислоты (86) — витамина В3:

СН3 1

но с н2--д-с НО Н-СО-? н сн2 С Н2 с о о -

с"н.

'3

86

Так как ее поставляют находящиеся в кишечнике бактерии (E.coli), то острая

Суточная потребность человека в пантотеновой кислоте 5 — 10 мг. Кофермент А образуется из нее в следующей цепочке превращений:

С11а

. I

86 + PPP-Ado —> 2-03Р0СН2-С—СИОН—СО—NIICIIoCH,С00" + PP-Ado (IV 50)

I

СНа 87

(катализируется ферментом пантотенат киназой),

87 + NH*CH(CH2SH)C00- + PPP-Ctd —»

CII3 I

—» 203Р0СН2-С—СНОП—СО—NrrCH2Cli2C0—N1IC1I(CII2SII)C00- (IV.51)

си,

88

(катализируется ферментом фосфопантотеиоилцистеин синтетазой),

СНа

I

88 —»2-о3росн2-С—СЛОН—C0-N]ICH2C1I2C04WC]I2C]I2SH + С02 (VI .52)

СН3

89

(катализируется фосфопаптотеноилцистеип декарбоксилазой).

Далее реакция с АТФ, аналогичная реакции (IV.47), катализируемая панто-теинфосфатп. аденилилтрансферазой, приводит к переносу остатка аденилата на 4 -фосфат (89) с образованием дефосфокофермента А, который после фосфорилирования дефосфокофермент А киназой по 3 '-гидроксигруппе аденилового фрагмента дает кофермент А.

Вторым важным коферментоМ класса трансфераз является тетрагидрофолат — переносчик одноуглеродных фрагментов (см. § 4.2). Он поступает в организм животных в виде фолиевой кислоты (90):

H'NyN^N*

Н N Y^N^CHrNH-cf^CO-NH-/H-0CHj-CH,-COO-

0 х=/

90

которая также является одним из витаминов и необходима человеку в количестве 0,05 — 0,4 мг в сутки.

Большая группа аминотрансфераз и декарбоксилаз аминокислот содержит в качестве кофактора пи